"Risparmi energetici nel comparto biologico negli impianti di depurazione" - MARCO LEONCAVALLO
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Maggio 2021 “Risparmi energetici nel comparto biologico negli impianti di depurazione” MARCO LEONCAVALLO
Agenda 1. Efficientamento energetico del comparto aerazione Il S.A.E. come metro di valutazione Sistemi a bolle fini, i più efficienti ma come li ottimizzo ? Soffianti 2. Efficientamento e risparmio energetico nella miscelazione Efficienza di un mixer e parametri in gioco Vantaggi generali con Mixer regolabili Miscelazione adattiva, vantaggi 3. Efficientamento nei ricircoli del mixed liquor Bassa prevalenza e grandi portate da regolare: le idrovore Vantaggi con mixer come pompa 2
Importanza dell’aerazione • Fondamentale per garantire il processo depurativo, la vasca di aerazione e la successiva fase di ultrafiltrazione sono il “cuore” dell’impianto. • Energetica: da sola consuma la maggior parte dell’energia elettrica dell’impianto di depurazione (valido per CAS, maggiormente per BNR, MBR, MBBR) • Solitamente garantisce da sola anche la Miscelazione e l’assenza di depositi in vasca. • Uno dei fattori chiave per evitare problemi sulla Sedimentabilità dei fanghi.
È possibile efficientare e ridurre i consumi? Parametro per giudicare l’efficienza di un sistema di aerazione: kgO2 / kWh I kgO2 forniti dal sistema possono essere riferiti a: - Condizioni reali (A.O.R.) - Condizioni standard (S.O.R.) -I kWh sono quelli assorbiti ai morsetti dal sistema di aerazione (ad es. da aeratori meccanici o da soffianti)
S.O.R. = Standard Oxygen Requirement cioè ossigeno fornito in acqua pulita (=1,00; =1,00), al livello del mare con p=1 atm; T=20 o 10°C; O.D.= 0 mg/l. I COSTRUTTORI DI AERATORI GARANTISCONO QUESTO VALORE RIFERITO A UNA METODOLOGIA DI TEST STD Standard ASTM-ASCE 2-06 (2006, revisione dello storico 2-91), riferito ad acqua pulita a 20 °C, posizionamento sonde a livelli prefissati, prova fino al raggiungimento della max solubilità. Standard EN 12255-15 (1999) riferito ad acqua pulita a 10 °C, posizionamento a livelli più vantaggiosi delle sonde, permette la prova fino a una certa % della max solubilità stimata (più rapido, meno preciso) e ammette tolleranze sui risultati. Esiste una differenza nei risultati o nei risultati considerati accettabili tra i due standard, tra il 0 % e il 15 %. Le garanzie secondo ASCE sono mediamente più cautelative (per chi acquista). S.A.E.= Standard Aeration Efficiency kgO2 (S.O.R.) / kWh Kg O2 Standard forniti dal sistema / assorbiti dalla rete
S.A.E. tipici = kgO2 (S.O.R.) / kWh Fine Bubble (full floor coverage) 4.0 - 6.6 kgO2/kW-h Fine Bubble (spiral roll) 2.0 - 4.0 kgO2/kW-h Mechanical Aerators 1.1 - 2.2 kgO2/kW-h Coarse Bubble 1.3 - 1.9 kgO2/kW-h Aspirating Aerators 0.5 – 1.2 kgO2/kW-h Data from ASCE WEF Manual of Practice 8: Design of Municipal Wastewater Treatment Plants .
Cosa influenza il S.A.E. Diversi fattori concorrono al risultato di ottenere e di mantenere un elevato S.A.E. : 1. S.O.T.E.% (da cui discende la Quantità di aria Q necessaria per un S.O.R. richiesto) 2. D.W.P. e mantenimento nel tempo delle caratteristiche elastiche delle membrane; H 3. Altre perdite di carico nel sistema (piping, valvole); 4. Tipo di soffianti e loro efficienza nel campo di impiego.
1. SOTE % influenzato da… A. Sommergenza B. Dimensione delle bolle, distribuzione dei fori sulle membrane, membrane di ultima generazione … 02 trasferito aumenta con l’area specifica di contatto… anche se non quanto l’area specifica di contatto suggerisce: bolle grosse producono una maggiore turbolenza in risalita e come risultato il coefficiente di trasferimento di massa è maggiore per le bolle grosse. Risultato come SOTE/m = 2-3% per bolle grosse e 4-7% per bolle fini C. Flussi d’aria specifici sui diffusori SOTE% varia per stesso tipo di diffusore in funzione Q alimentata: > Q bolle > dimensione e con alti flussi aumenta la possibilità di collisione e coalescenza tra le bolle (densità aria in vasca).
A. 1. SOTE % influenzato da… D. Alta densità di diffusori in vasca (> AD) E. Disposizione omogenea di AD in vasca Effetto della copertura: - controbilancia l’effetto di accelerazione delle bolle - riduce la V di risalita Migliora la Oxygen Transfer Efficiency Non conta solo AT/AD o la superficie di diffusione, conta anche uniformità meglio sistemi su più punti (diffusori piccoli) e distanze tra tubi max 1,2 m circa.
2. Efficienza e D.W.P. (Pressione dinamica di attraversamento membrana) Il sistema di aerazione lavora insufflando aria ad una pressione determinata da A. Sommergenza (FISSA) B. Perdite di carico nelle tubazioni/rete/valvole (f) C. Dynamic Wet Pressure di attraverso delle membrane P lavoro: A+B+C [kPA] o [mbar] o [mH2O] La D.W.P. può essere alta a causa di fori di minori dimensioni e/o per membrana con minore elasticità o maggiore spessore.
D.W.P. (e SOTE) nel tempo: elasticità, fouling Ogni diffusore è soggetto a aumento della D.W.P. nel tempo per: Perdita di elasticità (allungamento o restringimento permanente) Fouling interno (filtrazione aria classe G3, G4) Fouling esterno : di tipo chimico precipitazioni di sostanze inorganiche o di tipo «A» di tipo biologico «B» da biomassa umida o secca misto «C» A = aumenta DWP e può aumentare anche il SOTE diminuendo l’effettiva dimensione dei pori di uscita; B = aumenta DWP e diminuisce il SOTE, la biomassa forma porosità secondarie con dimensioni maggiori. In generale sono più soggetti i diffusori con membrane rigide o semi-rigide con D.W.P. > già da nuovi, le membrane elastiche, variando Qd, tendono a pulirsi. Il fouling esterno è sensibile a periodi di inattività e assenza di miscelazione!
Il ciclo dell’efficienza Maggiore Superficie diffusione = Minore flusso superficiale Bolle più fini Meno coalescenza Minore accelerazione bolle Maggiore S.O.T.E.% Minore Qair richiesta Minore D.W.P. (e dP…) = Maggiore S.A.E. o Minore consumo SOTE% DWP Elevata Area di Diffusione e Basse Qd Fori piccoli e membrane poco elastiche
3. La scelta va continuata con... • piping adeguato (ridurre le perdite di carico) • sistemi di controllo di processo/necessità di aria (ev. in diverse zone vasca specie se a pistone)
Controllo aerazione - storia • PASSATO: varie tipologie di controllo, spesso solo rimozione carbonio Tempo Nessun riferimento alla reale richiesta Ossigeno Riflesso indiretto e parziale delle condizioni dell’ambiente biologico Redox Spesso portano a sovra o sotto aerazione con consumi / rischi • OGGI: controllo diretto delle forme azotate Ammoniaca Chiaro riferimento alla reale richiesta Nitrati Riflesso diretto delle condizioni dell’ambiente biologico Minimizza la fornitura d’aria • Nuovi sensori ed analizzatori on-line (elettrochimici, chimici, ottici) Più economici Manutenzione semplificata Autodiagnostica Robusti Precisione abbastanza accurata e affidabile per controllo di processo (calibrazione periodica necessaria per problemi di lenta deriva) 15
Controllo, con aerazione “debole” AOR (Csat20) SOR = Pfield ) CsatT) O.D. T-20) Pmsl Minori conc. di DO: maggior quantitativo Conc. di NH4 più alte: minor quantitativo Di O2 trasferito per alto gradiente Di O2 necessario alla biomassa (legge di Fick) Diminuzione SOR / AOR SOR DO tank (mg/L) N-NH4out (mg/L) 16
4. La scelta va terminata con... Soffianti adeguate ed efficienti nel campo di portata/pressione richiesto
Soffianti e portate d’aria Attenzione al dato di portata dichiarato! L’aria che a noi serve è l’aria fornita (FAD = portata resa alla flangia di mandata del compressore riespansa alle condizioni di aspirazione). Generalmente solo i costruttori di soffianti centrifughe ad alta efficienza o a vite vi daranno questo valore. I costruttori di soffianti a lobi forniscono spesso i dati come aria aspirata, I dati di portata d’aria si basano su calcoli teorici essendo l’aria aspirata difficile da misurare. Con pressioni basse (fino a 3 m circa) e soffianti a lobi nuove la differenza è tra i due dati è poco rilevante, ma con pressioni superiori diventa sempre più evidente ed è necessario declassare il dato di aria aspirata vs. fornita fino ad un 15%. ? = 18
Soffianti e portate d’aria ? = 19
Soffianti e kW Attenzione al dato di potenza dichiarato! Alcuni costruttori di soffianti spesso forniscono il dato di potenza all’asse della soffiante, questo non tiene in conto di: perdite nelle trasmissioni-pulegge-cinghie, riduttori (ca. 3 - 5%) ventole di raffreddamento / estrazione, pompe olio, ventole raffreddamento olio, pompe circuiti di raffreddamento, ausiliari… Perdite filtri aria in aspirazione, incremento temperature nel box soffiante (circa 4%) Perdite nel VFD se presente ( = 95 - 97%) Perdite nel motore (es. motore a induzione IE3, 90 kW: = 95% al BEP, ma molto peggio a basso carico applicato) Pretendete la “PACKAGE POWER”: Potenza dell’unità completa misurata ai morsetti, inclusi ev. inverter, pompe, ventilatori, filtri aria,… ? = 20
ASME PTC-13 è l’unica procedura per la performance completa del package: “wire to air”. Anche se vi danno “ai morsetti inverter” attenzione: Package vs, Non Package [Non Package] Td, Pd Ta : Ambient Temp. Ts : Compressor Suction Temp. Inverter Ta=Ts Motor Td : Discharge Temp. Pa=Ps Pa : Ambient Pressure Power Ps : Compressor Suction Pressure Pd : Discharge Pressure Td, Pd Ts : Compressor Suction Temp. [Package = PTC-13] Ta + ΔT by Ti, Tm Ti Ti : Inverter Cooling Temp. Suction Filter Tm Tm : Motor Cooling Temp. Ta ΔT : Temperature rise. Inverter Ts, Ps Motor Pa Ps : Suction Pressure. Panel Filter Pa – ΔP by Pp, Pf Pf Ta Pp : Passage Pressure Drop Pa Pf : Suction Filter Pressure Drop Power Pp ΔP : Suction Pressure Drop
Paragoen di effcienza Package/Non package Temp Inverter Motor Bearing Pressure Comp. Overall Rise Eff. Eff. Loss Loss Eff. Eff. Loss Non Package 96~97% 95~96% Under 1% - - 78~81% 70~75% Package 96~97% 95~96% Under 1% 3~5% 1~2% 78~81% 66~72
Di che potenza e di che aria parliamo ? Q ASPIRATA kW ASSE Non è quel che pago! € bolletta! PACKAGE POWER Q FAD ? = 23
Motori soffianti e Turbosoffianti Differenze tra motori tradizionali asincroni a induzione std e PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) ad altissima efficienza: compatti, leggeri, adatti a inverter e modulazione dei carichi. PMSM sono generalmente direttamente connessi a giranti ad alta velocità in Turbosoffianti: zero attriti, zero riduttore, zero usura e manutenzione. La capacità di raffreddare il motore influenza l’output e la durata dello stesso. Sistema ad aria patentato su soffianti Sanitaire - Turbomax Efficienza PMSM a pieno carico è la migliore, ma ancora più a carico parziale. 24
Efficienza, paragonando mele con mele • Turbosoffianti decisamente più efficienti di soffianti a lobi (ca. 30%). • La differenza aumenta col tempo vs. lobi e viti: decandono in prestazioni per usura. • Turbosoffianti spesso paragonabili, minime differenze, dipende dal punto di lavoro della singola macchina scelta. • Turbosoffianti con riduttori, hanno ottima efficienza fisica, ma accusano minore efficienza meccanica, di trasmissione ed elettrica (motore asincrono < efficienza a carico parziale). Sono più sensibili a cambiamenti di pressione e in generale più adatte a portate enormi. Notevoli spese di manutenzione. Sanitaire - TurboMAX con cuscinetti ad aria e motore sincrono PMSM
Agenda 1. Efficientamento energetico del comparto aerazione Il S.A.E. come metro di valutazione Sistemi a bolle fini, i più efficienti ma come li ottimizzo ? Soffianti 2. Efficientamento e risparmio energetico nella miscelazione Efficienza di un mixer e parametri in gioco Vantaggi generali con Mixer regolabili Miscelazione adattiva, vantaggi 3. Efficientamento nei ricircoli del mixed liquor Bassa prevalenza e grandi portate da regolare: le idrovore Vantaggi con mixer come pompa 26
Energia per la miscelazione «La miscelazione consuma tra il 5% e il 20% del fabbisogno totale di un depuratore» (Fureder et al. 2017) 27
(Fureder et al. 2017) 28
Introduzione: efficienza e performance mixer, la Spinta (N)
Titolo ? F = Spinta (N) D = resistenza (D) Equilibrio quando : F = D Che si realizza con una velocità media del bulk flow in vasca = U F = k ArU2 k = fattore di Perdita della vasca U A = area bulk flow r = densità del liquid0 (kg/m3) U = velocità media del bulk flow (m/s) t 30
Introduzione: efficienza e performance mixer, la Spinta (N) Standard Internazionale per la misura di : Spinta F (N) Consumo elettrico P (W) R = F/P (N/W) = efficienza del mixer
Cosa influenza l’efficienza di un mixer Efficienza idraulica, a sua volta dovuta a diversi fattori: • Diametro elica • Velocità elica (collegato al precedente) • Idraulica, forma e no. delle pale • Presenza di anelli convogliatori (diametri medio-piccoli) Efficienza elettrica del motore Efficienza meccanica (riduttori se presenti, cuscinetti ecc.) 32
Diametro (velocità) e R = N/W 1,60 Efficienza R = N/W vs Diametro eliche (mm) 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
Velocità (a Diam. fisso) e R = N/W R = N/kW vs velocità rpm (diam. 770 mm) 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 50 100 150 200 250 300 350
Anello convogliatore (su mixer compatti) • Limita gli afflussi laterali (…lavandino) • Dirige e forza il flusso, + longitudinale • Aumenta effcienza N/kW di circa un 10% o più se J ben progettato come raggi di curvatura • Migliore raffreddamento motore (flussi viscosi) • No con filacci 35
Spinta per modelli, inclinazione pale, riduttori Mixer compatti tradizionali Mixer solitamente più grandi, con Variando inclinazione pale su ogiva riduttore si ottengono spinte e consumi Variando i rapporti di riduzione dei diversi riduttori si varia a gradini la velocità e la Gradini di centinaia di N tra i modelli spinta (gradini = circa 300 N) 36
Motori 1. Motori asincroni con diverse polarità (velocità) 2. Motori LSPM circa 10% minore consumo 3. Motori PMSM circa 15% minore consumo, necessita inverter, ok per regolazione (curva piatta) 2 e 3 non hanno perdite per calore da corrente indotta ed hanno cos(fi) migliori. Il 3 richiede VFD ma è adatto a variazioni in quanto l’efficienza motore è una curva ”piatta” al variare del carico... 37
Paragone efficienza motori asincroni e PMSM 38
E’ sufficiente scegliere correttamente il mixer ? E’ importante, ma non sufficiente. Anche il POSIZIONAMENTO è molto importante per il risultato finale. Bulk flow 39
ISO 21630:2007 – efficienza e tipi di mixer Tipo ~ Range Spinta nominale ~ Efficienza Mixer 4320 AD 0 - 5,180N 600 - 1,550 N/kW Series 4400 300 - 4,500N 700 - 1030 N/kW Series 4200 AD 0 - 2470 N 300 - 760 N/kW Series 4600 100 - 7,000 N 180 - 330 N/kW Series Jet 460 - 5,250N 80 - 150 N/kW mixers
MIXER ADATTIVI per ottimizzare l’efficienza 41
Ampio range per le applicazioni in WWTP Mixer a grande elica (con riduttore) Flygt 4320 Adaptive mixer Flygt 4400 series Insuperabile per vasche di medio-grande dimensione Mixers compatti Flygt 4600 series Flygt 4200-series of Adaptive mixers Spinta, N Perfetto per vasche di ogni dimensione, livelli variabili
Dirigo™ Flygt’s Integrated Drive Platform Sistema Controllo motore Integrato + Motore ad alta efficienza PMSM (IE4 eq.) Pompe Pompe Dewatering Wastewater Mixers Adattivi Idrovore PP Adattivi (Concertor)
I valori di un Mixer Adattivo
4320 AD in breve: Premium Efficiency mixer Mixer a 2 o 3 pale di grandi dimensioni (1400 – 2000 – 2500 mm) Motori 1,1 – 1,5 – 2,2 – 3,0 – 4,0 e 5,5 kW Installazione su tripode o (solo 1400 mm) su tubo guida 100x100) Consumi ridotti da metà a meno di un quarto Spinta regolabile per risparmi addizionali Più affidabile con protezioni intrinseche, FLS standard Cos fi elevati Nessun picco di potenza, Soft start & stop 45
4220 AD e 4230 AD in breve Slitta intercambiabile Elica ad alta 50x50, 60x60, efficienza, 80x80,100x50 ottimizzata pe 100x100 inclinazione e diametro Zona VFD Motore PMSM Flygt Dirigo™ drive unit Mixer Compatto 4220 AD Mixer Compatto 4230 AD Motori 1,1 – 1,5 e 2,2 kW Motori 2,2 – 3,0 – 4,0 – 5,5 e 7,3 kW Elica ottimizzata 580 mm Elica ottimizzata 770 mm Facile da installare su retrofit Facile da installare su retrofit Risparmi +50% sui consumi Spinta regolabile per risparmi addizionali Più affidabile con protezioni intrinseche, FLS standard Cos fi elevati Nessun picco di potenza, soft start & soft stop
Settati su una spinta I mixer AD sono più efficienti per… Sum alarm Eliche (più) grandi Inclinazione palare migliore possibile (4200) T1,T2 Motore IE4 eq. (efficiente ai diversi carichi) Cos fi elevati Power Settaggio Spinta migliore, ”fine tuning” ... ma è possibile risparmiare ancora di più... Flygt 4320 Flygt 4200 47
Regolando il mixer… or Sum alarm Panel HMI Touch HMI T1,T2 T3,T4 Power Web HMI Gateway FPG415 4-20 mA & relè Modbus RTU/TCP Flygt 4320 Flygt 4200 …ma perchè regolare il mixer ? 48
Adaptive Mixing – Regolazioni occasionali Una regolazione occasionale della Spinta può essere usata per: Fine-tuning iniziale (installazione, imprevisti) Fine-tuning su situazione locale (Qin o Qricircolo vantaggiosi o contrastanti) Adattarsi a variazioni di processo (es. by-pass primario, miglioramento pretrattamenti) o stagionali (es. sabbie e trasporto solido, flussi Qin) Risospensione energica dei sedimenti o Movimentazione schiume stagionali (boost mixing) Compensare lo stop di un mixer se ho più di un mixer (resilienza)
Adaptive Mixing – Regolazioni continue Una regolazione continua della Spinta può essere usata per compensare: Differenti livelli di liquido in vasca, vasche di accumulo / equalizz. Cambiamenti di portata d’aria in vasche a canale Regolazioni continue a fasi in vasche anossiche, anche basate sul cambiamento dei flussi entranti in vasca 50
Regolazione continua - Vasche di ritenzione Funzione dei mixer: Evitare sedimenti e perdita di volume; Omogeneizzare prima del pompaggio; Operare a livello variabile. I mixer adattivi si adattano al livello / volume da miscelare, funzionando più a lungo durante lo svuotamento, riducendo velocità per evitare la cavitazione. 6 Livello variabile 5 Curva N(o rpm)/Hw 4 3 2 1 0 0 500 1000 1500 2000 51
Regolazione continua, vasche a canale Air load (%) Bulk velocity Aeration loss Required mixer Required mixer Cambia (m/s) factor (-) thrust (N) power in Q aria (kW) 0 0.25 0.15 5411 5.36 50 0.27 1.41 9621 11.61 Cambia 75 0.34 1.36 13342 22.45 Spinta richiesta 100 0.36 1.34 16751 26.53 Setpoint speed control Air sensor control Per aerazione on-off Per aerazione a Q variabile Propeller Digital input speed 0 (open) Speed A 1 (closed) Speed B
Regolazione continua - Zone anossiche • Il Bulk-flow (la miscelazione) deve essere predominante su Qin • Su vasche con HRT adeguata è spesso possibile operare a fasi, variare Vmedia del Bulk- Flow senza ripercussioni sul processo con risparmi energetici > 30% La velocità di sedimentazione Solido32-Sedimentation(15) Solido32-Resuspension(30) del fango biologico è lenta 3000 3000 mentre la risospensione dello Solids (mg/l) 2000 2000 Solids mg/l) stesso con i mixer è rapida. 1000 1000 0 0 0,00 50,00 100,00 150,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 -1000 -1000
Agenda 1. Efficientamento energetico del comparto aerazione Il S.A.E. come metro di valutazione Sistemi a bolle fini, i più efficienti ma come li ottimizzo ? Soffianti 2. Efficientamento e risparmio energetico nella miscelazione Efficienza di un mixer e parametri in gioco Vantaggi generali con Mixer regolabili Miscelazione adattiva, vantaggi 3. Efficientamento nei ricircoli del mixed liquor Bassa prevalenza e grandi portate da regolare: le idrovore Vantaggi con mixer come pompa 54
Pompe PP ricircoli in BNR - Pompaggi di grandi volumi (fino a 4 volte Qm) - Distanze relativamente brevi - Prevalenze geodetiche minime (vasche adiacenti) Perché sollevare l’acqua per scaricarla in un bacino adiacente ? Le pompe ad elica a bassa prevalenza sono una soluzione semplice che riduce le opere edili e inutili sollevamenti di quota di grandi portate.
La combinazione di minori perdite del sistema e di una pompa progettata per bassissime prevalenze riduce drasticamente il consumo elettrico. 1. Le pompe convenzionali lavorano in un punto a bassa efficienza, ai limiti inferiori della curva in prevalenza 2. Generalmente lavorando a bassissime prevalenze si riduce la taglia motore macchina rispetto a una pompa convenzionale Q = 300 l/s H = 0,4 m 56
Idrovore ad elica orizzontale PP Flygt Adaptive Propeller Pumps, PP 4200-series Flygt Propeller Pumps PP 4600 series Portata, l/s
PP adattivo vs. tradizionale • Tutti i benefits dell’operabilità a velocità variabile • Minimizza i consumi energetici (dal 10% al 40%) in un ampio campo di punti di lavoro • Risparmi maggiori si possono ottenere cambiando la curva pompa per soddisfare le condizioni di processo. • Non serve comprare, installare o programmare un VFD esterno per questo scopo • Raggiungibili maggiori prevalenze con i motori maggiori • Facile retrofit: stessa uscita e flangia dei PP 4630/40 o 4650/60. 58
BACKUP SLIDE 60
Per orientarsi : 61
Evitare corto circuiti
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